一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法
【專利摘要】本發明涉及一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，針對區域尺度種植業面源氮排放量無法測定的難題，基于地表徑流與地下淋洗的關鍵影響因子，分別構建其多因素統計模型，通過收集的實驗數據，應用逐步回歸法進一步篩選影響因素，確定各系數，收集統計周期內的氮肥投入量，土壤全氮含量，土壤粘粒含量和降雨灌溉量，預測種植業面源氮統計周期內排放量分布和總量，有效提高了區域尺度種植業面源氮損失量估算的準確性。
【專利說明】
一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，屬于種植業面統計技術 領域。
【背景技術】
[0002] 我國糧食產量歷史性地實現"十二連增"，2015年全國糧食總產量62143.5萬噸。同 時，我國也是世界上化肥投入量最大的國家，化肥投入量超6千萬噸。但是農作物化肥利用 率低下，通過徑流和淋洗途徑損失嚴重，成為地表地下水富營養化的重要原因。
[0003] 然而，我國種植業面源氮損失量到底是多少，分布格局怎樣還不清楚；目前區域尺 度大都采用輸出系數法估算面源氮損失量。如朱兆良經過長期的定位實驗，估算種植業的 多年平均徑流損失系數約為氮肥用量的5%，淋洗損失系數為氮肥用量的3% (朱兆良， 2002)，根據全國化肥投入總量，估算全國種植業面源氮損失量為1.7Tg。為提高估算精度， 胡玉婷進一步將種植業分為稻田和旱地，根據全國的統計數據，分別確定旱地和稻田的徑 流和淋洗損失系數，根據各省級氮肥投入量，估算得到全國省級尺度面源氮損失量分布，得 到全國種植業面源氮總損失量為3.34Tg(胡玉婷，2011)。2007年開展了第一次全國污染源 普查，全國共設置地下淋溶和地表徑流定位監測試驗點372個。其中，地下淋溶試驗點140 個，包括大田試驗點47個，保護地菜田40個，露地菜田31個，果園22個;地表徑流試驗點232 個，包括水田試驗點46個，水旱輪作51個，旱地平原57個，坡耕地78個。付出了大量的人力物 力財力，由此得到我國主要種植業的徑流和淋洗系數，并估算全國縣級尺度面源氮素損失 量分布，得到全國種植業面源氮總損失量為〇.71Tg。因此，三種方法估算得到的全國種植業 面源氮損失量差別巨大，其主要原因是這些方法只考慮土地利用方式對面源氮損失的影 響，而忽略了氣候、地理、作物管理、土壤等因子對種植業面源氮損失的影響。
[0004] 鑒于此，如何簡單，經濟，快速，準確估算種植業面源氮損失量分布和總量，是當前 科學管理與防治種植業面源污染需要解決的技術問題。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是提供一種簡單、經濟、快速，且能夠有效提高種植業 面源氮損失量估算準確性的區域尺度種植業面源氮損失量統計方法。
[0006] 本發明為了解決上述技術問題采用以下技術方案:本發明設計了一種區域尺度種 植業面源氮損失量統計方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟001.將種植耕地按水田和旱地進行劃分，并根據水田、旱地源氮地表徑流與 地下淋洗損失過程，建立種植耕地源氮損失預測公式如下，然后進入步驟002;
[0008] RO = a+b X N+c X TN+d X R+e X CF
[0009] 式中，RO表示種植耕地指定周期內的源氮損失量，N表示種植耕地中農作物在指定 周期內所施化肥對應的純氮總量，TN表示指定周期內種植耕地中單位土壤的全氮含量，R表 示種植耕地指定周期內降雨量與灌溉量之和，CF表示指定周期內種植耕地中小于預設直徑 的土壤粘粒含量的百分比;a、b、c、d、e為系數；
[0010] 步驟002.選擇至少五個種植耕地樣本，并根據各個種植耕地樣本的歷史統計數 據，分別獲取各個種植耕地樣本所對應的指定周期內源氮損失量、指定周期內單位土壤的 全氮含量、指定周期內降雨量與灌溉量之和、指定周期內小于預設直徑的土壤粘粒含量的 百分比，以及其農作物在指定周期內所施化肥對應的純氮總量，基于各個種植耕地樣本分 別所對應的上述各個數據，針對種植耕地源氮損失統計公式進行訓練，獲得系數a、b、c、d、e 的值，然后進入步驟003;
[0011] 步驟003.采用所獲系數a、b、c、d、e的值，針對種植耕地源氮損失統計公式進行更 新，構成種植耕地源氮損失預測模型，然后進入步驟004;
[0012] 步驟004.獲取對應目標區域的預設尺寸遙感圖像，并將目標區域中的種植耕地按 水田和旱地進行劃分，獲取目標區域中水田、旱地的空間分布，然后進入步驟005;
[0013] 步驟005.根據目標區域中種植耕地的歷史統計數據，分別獲得目標區域中水田、 旱地所分別對應統計周期內單位土壤的全氮含量TN的空間分布、統計周期內降雨量與灌溉 量之和R的空間分布、統計周期內小于預設直徑的土壤粘粒含量的百分比CF的空間分布，以 及其農作物在統計周期內所施化肥對應的純氮總量N的空間分布;然后進入步驟006;
[0014] 步驟006.根據步驟005,分別針對目標區域中水田、旱地的空間分布，分別通過種 植耕地源氮損失預測模型，獲得目標區域中水田、旱地分別對應統計周期內的源氮損失量 RO分布。
[0015] 作為本發明的一種優選技術方案:所述步驟006之后，還包括步驟007如下：
[0016] 步驟007.根據目標區域中種植耕地統計周期內源氮損失量分布，通過求和方法， 獲得目標區域中種植耕地統計周期內源氮損失的總量。
[0017] 作為本發明的一種優選技術方案:所述CF表示指定周期內種植耕地中小于0.002 毫米直徑的土壤粘粒含量的百分比。
[0018] 作為本發明的一種優選技術方案:所述TN表示指定周期內種植耕地中每克重量土 壤的全氮含量。
[0019] 作為本發明的一種優選技術方案:所述步驟〇〇4中，獲取對應目標區域、Ikm X Ikm 尺寸的遙感圖像。
[0020] 本發明所述一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法及控制方法采用以上技 術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:本發明所設計的區域尺度種植業面源氮損失 量統計方法，針對區域尺度種植業面源氮排放量無法測定的難題，基于地表徑流與地下淋 洗的關鍵影響因子，分別構建其多因素統計模型，通過收集的實驗數據，應用逐步回歸法進 一步篩選影響因素，確定各系數，收集統計周期內的氮肥投入量，土壤全氮含量，土壤粘粒 含量和降雨灌溉量，預測種植業面源氮統計周期內排放量分布和總量，有效提高了區域尺 度種植業面源氮損失量估算的準確性。。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明設計區域尺度種植業面源氮損失量統計方法的分析示意圖；
[0022] 圖2是本發明設計區域尺度種植業面源氮損失量統計方法的流程示意圖；
[0023]圖3a是實施例所求水田地表徑流的源氮損失量RO分布示意圖；
[0024]圖3b是實施例所求水田地下淋洗的源氮損失量RO分布示意圖；
[0025]圖3c是實施例所求旱地地表徑流的源氮損失量RO分布示意圖；
[0026]圖3d是實施例所求旱地地下淋洗的源氮損失量RO分布示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合說明書附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0028]如圖1和圖2所示，本發明所設計的一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法， 在實際應用過程當中，具體包括如下步驟：
[0029]步驟001.將種植耕地按水田和旱地進行劃分，并根據水田、旱地源氮地表徑流與 地下淋洗損失過程，建立種植耕地源氮損失預測公式如下，然后進入步驟002。
[0030] RO = a+b X N+c X TN+d X R+e X CF
[0031] 式中，RO表示種植耕地指定周期內的源氮損失量，N表示種植耕地中農作物在指定 周期內所施化肥對應的純氮總量，TN表示指定周期內種植耕地中每克重量土壤的全氮含 量，R表示種植耕地指定周期內降雨量與灌溉量之和，CF表示指定周期內種植耕地中小于 0.002毫米直徑的土壤粘粒含量的百分比;a、b、c、d、e為系數。
[0032] 步驟002.選擇至少五個種植耕地樣本，并根據各個種植耕地樣本的歷史統計數 據，分別獲取各個種植耕地樣本所對應的指定周期內源氮損失量、指定周期內單位土壤的 全氮含量、指定周期內降雨量與灌溉量之和、指定周期內小于預設直徑的土壤粘粒含量的 百分比，以及其農作物在指定周期內所施化肥對應的純氮總量，基于各個種植耕地樣本分 別所對應的上述各個數據，針對種植耕地源氮損失統計公式進行訓練，獲得系數a、b、c、d、e 的值，然后進入步驟003。
[0033]步驟003.采用所獲系數a、b、c、d、e的值，針對種植耕地源氮損失統計公式進行更 新，構成種植耕地源氮損失預測模型，然后進入步驟004。
[0034] 步驟004.獲取對應目標區域IkmX Ikm尺寸的遙感圖像，并將目標區域中的種植耕 地按水田和旱地進行劃分，獲取目標區域中水田、旱地的空間分布，然后進入步驟005。
[0035] 步驟005.根據目標區域中種植耕地的歷史統計數據，分別獲得目標區域中水田、 旱地所分別對應統計周期內單位土壤的全氮含量TN的空間分布、統計周期內降雨量與灌溉 量之和R的空間分布、統計周期內小于預設直徑的土壤粘粒含量的百分比CF的空間分布，以 及其農作物在統計周期內所施化肥對應的純氮總量N的空間分布;然后進入步驟006。
[0036] 步驟006.根據步驟005,分別針對目標區域中水田、旱地的空間分布，分別通過種 植耕地源氮損失預測模型，獲得目標區域中水田、旱地分別對應統計周期內的源氮損失量 RO分布，然后進入步驟007;
[0037] 步驟007.根據目標區域中種植耕地統計周期內源氮損失量分布，通過求和方法， 獲得目標區域中種植耕地統計周期內源氮損失的總量。
[0038] 上述技術方案所設計的區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，針對當前區域尺 度輸出系數法估算種植業面源氮損失量不確定性大的問題，即針對區域尺度種植業面源氮 排放量無法測定的難題，基于地表徑流與地下淋洗的關鍵影響因子，分別構建其多因素統 計模型，通過收集的實驗數據，應用逐步回歸法進一步篩選影響因素，確定各系數，收集統 計周期內的氮肥投入量，土壤全氮含量，土壤粘粒含量和降雨灌溉量，預測種植業面源氮統 計周期內排放量分布和總量，有效提高了區域尺度種植業面源氮損失量估算的準確性。
[0039] 將本發明所設計區域尺度種植業面源氮損失量統計方法應用到實際應用過程當 中，選擇全國大陸地區作為對象，進行2011年度種植業面源氮損失量估算。
[0040] 步驟001.將全國種植業按水田和旱地進行劃分，水田為水稻田，旱地包括玉米，小 麥，棉花，大豆，蔬菜等，建立種植耕地源氮損失預測公式如下，然后進入步驟002。
[0041] RO = a+b X N+c X TN+d X R+e X CF
[0042] 式中，RO表示種植耕地指定周期內的源氮損失量，N表示種植耕地中農作物在指定 周期內所施化肥對應的純氮總量，TN表示指定周期內種植耕地中每克重量土壤的全氮含 量，R表示種植耕地指定周期內降雨量與灌溉量之和，CF表示指定周期內種植耕地中小于 0.002毫米直徑的土壤粘粒含量的百分比;a、b、c、d、e為系數。
[0043]步驟002.分別收集水田和旱地徑流482組、淋洗損失數據453組，其中4/5的數據用 來訓練，剩余1/5的數據用來驗證，同時收集訓練數據中對應的指定周期內源氮損失量、指 定周期內單位土壤的全氮含量、指定周期內降雨量與灌溉量之和、指定周期內小于預設直 徑的土壤粘粒含量的百分比，以及其農作物在指定周期內所施化肥對應的純氮總量，針對 釉詁_他嫄氪梠 Φ缽訐公忒講桿illl練.莽徨蒸救a . h. Γ.. d . A加下丟1所元"
[0045]表 1
[0046]然后收集驗證數據中指定周期內單位土壤的全氮含量、指定周期內降雨量與灌溉 量之和、指定周期內小于預設直徑的土壤粘粒含量的百分比、其農作物在指定周期內所施 化肥對應的純氮總量，以及所獲系數a、b、c、d、e，代入種植耕地源氮損失統計公式，計算求 得驗證數據所在地旱地和水田地表徑流及地下淋洗損失量，與觀測量相比，相關系數達到 68%，因而大大提高了區域尺度種植業源氮損失量的估算精度;然后進入步驟003;
[0047]步驟003.采用所獲系數a、b、c、d、e的值，針對種植耕地源氮損失統計公式進行更 新，構成種植耕地源氮損失預測模型，然后進入步驟004。
[0048] 步驟004.將全國種植業按水田和旱地進行劃分，水田為水稻田，旱地包括玉米，小 麥，棉花，大豆，蔬菜等，獲取全國種植業中水田、旱地的空間分布，然后進入步驟005。
[0049] 步驟005.根據全國種植業中種植耕地的歷史統計數據，分別獲得全國種植業中水 田、旱地所分別對應2011年度內單位土壤的全氮含量TN的空間分布、2011年度內降雨量與 灌溉量之和R的空間分布、2011年度內小于預設直徑的土壤粘粒含量的百分比CF的空間分 布，以及其農作物在2011年度內所施化肥對應的純氮總量N的空間分布;然后進入步驟006。
[0050] 步驟006.根據步驟005,分別針對全國種植業中水田、旱地的空間分布，分別通過 種植耕地源氮損失預測模型，獲得全國種植業中水田、旱地分別對應2011年度內的源氮損 失量RO分布，如圖3a、圖3b、圖3c和圖3d所示，然后進入步驟007。
[0051 ] 步驟007 .根據全國種植業中種植耕地統計周期內源氮損失量分布，通過求和方 法，獲得全國種植業中種植耕地2011年度內源氮損失的總量為1.97Tg。
[0052]上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施 方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下 做出各種變化。
【主權項】
1. 一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟001.將種植耕地按水田和旱地進行劃分，并根據水田、旱地源氮地表徑流與地下 淋洗損失過程，建立種植耕地源氮損失預測公式如下，然后進入步驟002; RO = a+b X N+c X TN+d X R+e X CF 式中，RO表示種植耕地指定周期內的源氮損失量，N表示種植耕地中農作物在指定周期 內所施化肥對應的純氮總量，TN表示指定周期內種植耕地中單位土壤的全氮含量，R表示種 植耕地指定周期內降雨量與灌溉量之和，CF表示指定周期內種植耕地中小于預設直徑的土 壤粘粒含量的百分比;a、b、c、d、e為系數； 步驟002.選擇至少五個種植耕地樣本，并根據各個種植耕地樣本的歷史統計數據，分 別獲取各個種植耕地樣本所對應的指定周期內源氮損失量、指定周期內單位土壤的全氮含 量、指定周期內降雨量與灌溉量之和、指定周期內小于預設直徑的土壤粘粒含量的百分比， 以及其農作物在指定周期內所施化肥對應的純氮總量，基于各個種植耕地樣本分別所對應 的上述各個數據，針對種植耕地源氮損失統計公式進行訓練，獲得系數a、b、c、d、e的值，然 后進入步驟003; 步驟003.采用所獲系數a、b、c、d、e的值，針對種植耕地源氮損失統計公式進行更新，構 成種植耕地源氮損失預測模型，然后進入步驟004; 步驟004.獲取對應目標區域的預設尺寸遙感圖像，并將目標區域中的種植耕地按水田 和旱地進行劃分，獲取目標區域中水田、旱地的空間分布，然后進入步驟005; 步驟005.根據目標區域中種植耕地的歷史統計數據，分別獲得目標區域中水田、旱地 所分別對應統計周期內單位土壤的全氮含量TN的空間分布、統計周期內降雨量與灌溉量之 和R的空間分布、統計周期內小于預設直徑的土壤粘粒含量的百分比CF的空間分布，以及其 農作物在統計周期內所施化肥對應的純氮總量N的空間分布;然后進入步驟006; 步驟006.根據步驟005,分別針對目標區域中水田、旱地的空間分布，分別通過種植耕 地源氮損失預測模型，獲得目標區域中水田、旱地分別對應統計周期內的源氮損失量R0分 布。2. 根據權利要求1所述一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，其特征在于，所述 步驟006之后，還包括步驟007如下： 步驟007.根據目標區域中種植耕地統計周期內源氮損失量分布，通過求和方法，獲得 目標區域中種植耕地統計周期內源氮損失的總量。3. 根據權利要求1所述一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，其特征在于，所述 CF表示指定周期內種植耕地中小于0.002毫米直徑的土壤粘粒含量的百分比。4. 根據權利要求1所述一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，其特征在于，所述 TN表示指定周期內種植耕地中每克重量土壤的全氮含量。5. 根據權利要求1所述一種區域尺度種植業面源氮損失量統計方法，其特征在于，所述 步驟004中，獲取對應目標區域、1 km X 1 km尺寸的遙感圖像。
【文檔編號】G06Q10/04GK105844366SQ201610218896
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】夏永秋, 顏曉元
【申請人】中國科學院南京土壤研究所